[論文レビュー] Wireless Power Meets Energy Harvesting: A Joint Energy Allocation Approach

Xun Zhou, Chin Keong Ho+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、ユーザーがアクセスポイントから無線でエネルギーを受信し、それを用いてデータを宛先に送信するOFDMベースの無線駆動通信ネットワークにおいて、時間とサブキャリアの割り当ておよび電力割り当てを統合的に最適化する戦略を提案する。完全なまたは因果的CSIを活用することで、オフラインおよびオンライン最適化アルゴリズムを用いて、宛先でのデータレートを最大化し、従来の手法と比較して顕著なレート向上を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based wireless powered communication system, where one user harvests energy from an energy access point (EAP) to power its information transmission to a data access point (DAP). The channels from the EAP to the user, i.e., the wireless energy transfer (WET) link, and from the user to the DAP, i.e., the wireless information transfer (WIT) link, vary over both time slots and sub-channels (SCs) in general. To avoid interference at DAP, WET and WIT are scheduled over orthogonal SCs at any slot. Our objective is to maximize the achievable rate at the DAP by jointly optimizing the SC allocation over time and the power allocation over time and SCs for both WET and WIT links. Assuming availability of full channel state information (CSI), the structural results for the optimal SC/power allocation are obtained and an offline algorithm is proposed to solve the problem. Furthermore, we propose a low-complexity online algorithm when causal CSI is available.

研究の動機と目的

• OFDMを用いた無線駆動通信システムにおいて、データアクセスポイント（DAP）での実現可能なデータレートを最大化すること。
• エネルギー伝送（WET）および情報伝送（WIT）リンクにおける時間変動的かつ周波数選択性の強いチャネルの課題に対処すること。
• WETおよびWITリンクの両方において、時間とサブキャリアにわたるサブキャリアの割り当てと時間スロットおよびサブキャリアごとの電力割り当てを統合的に最適化すること。
• 完全なチャネル状態情報（CSI）を前提としたオフラインアルゴリズムと、因果的CSIを前提とした低複雑性のオンラインアルゴリズムの開発。
• 各時間スロットにおいてWETとWITをそれぞれ直交するサブキャリアでスケジューリングすることで、DAPでの干渉を回避すること。

提案手法

• DAPの実現可能なレートを最大化するために、時間スロットおよびサブキャリアにわたるサブキャリアおよび電力割り当ての統合最適化問題を定式化する。
• 完全なCSI下での最適解の構造的性質を導出するために、凸最適化技術を用いる。
• 導出された最適性条件を活用して、統合最適化問題を解くオフラインアルゴリズムを提案する。
• グリーディなサブキャリア割り当てと電力制御ポリシーを用いることで、因果的CSIに適応する低複雑性のオンラインアルゴリズムを設計する。
• 各時間スロットにおいてWETとWITのサブキャリアを直交的にすることで、DAPでの干渉を防止する。
• サブキャリア固有のチャネル利得を前提として、WETおよびWITリンクにウォーター・フィリングに類似した電力割り当て原理を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OFDMベースの無線駆動通信システムにおいて、どのようにサブキャリアおよび電力割り当てを統合的に最適化することでデータレートを最大化できるか？
• RQ2 完全なCSI下での最適なサブキャリアおよび電力割り当ての構造的性質は何か？
• RQ3 因果的CSIしか利用できない状況で、最適化問題をどのように効率的に解けるか？
• RQ4 従来の直交的または固定割り当て方式と比較して、統合最適化によって達成可能な性能向上はどの程度か？
• RQ5 提案されたオンラインアルゴリズムは、時間変動するチャネル状態下でもどのように高いデータレートを維持できるか？

主な発見

• 最適なサブキャリア割り当ては、チャネル利得に基づきWETまたはWITにサブキャリアを割り当てるものであり、カールシュ＝クーン＝タッカー（Karush-Kuhn-Tucker）条件から導かれたしきい値に基づくルールに従う。
• 最適な電力割り当ては、サブキャリアおよび時間スロットにわたってウォーター・フィリング構造を示し、チャネル状態が良好なサブキャリアを優先的に割り当てる。
• オフラインアルゴリズムは、凸緩和およびデュアル分解を用いて統合最適化問題を解くことで、グローバルに最適なレートを達成する。
• オンラインアルゴリズムは、著しく低い複雑性で近似的に最適な性能を達成でき、リアルタイム実装に適している。
• 数値結果から、周波数選択性の強いフェージング環境において、従来の手法よりも統合最適化が実現可能なレートで優れた性能を示すことが明らかになった。
• WETおよびWITのチャネルが強い周波数選択性と時間変動を示す場合、性能向上が最も顕著に現れる。